非極性GaN外延薄膜的低位錯生長方法研究.pdf

1、目前,GaN材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子器件和發(fā)光器件,比如高電子遷移率晶體管和發(fā)光二極管。通常大多數(shù)的GaN基器件用到的是沿著極性[0001]方向生長的GaN材料。極性GaN材料由于其特殊的原子排列結(jié)構(gòu)導(dǎo)致產(chǎn)生平行于生長方向的極化電場,這對于形成高電子遷移率晶體管中的二維電子氣十分有利。然而,極化電場同樣會導(dǎo)致量子阱內(nèi)電子和空穴波函數(shù)的分離,從而導(dǎo)致發(fā)光產(chǎn)生紅移,同時發(fā)光二極管中載流子復(fù)合效率也受到抑制,這種現(xiàn)象稱為量子限制斯塔克效應(yīng)。因此

2、人們嘗試通過各種手段降低極化電場改善發(fā)光器件性能。其中非極性材料由于其內(nèi)建電場位于 GaN材料面內(nèi)垂直于生長軸方向,因此得到了廣泛的關(guān)注。然而和 c面極性 GaN不同的是,非極性材料由于其非常強(qiáng)的各向異性導(dǎo)致材料的位錯和層錯密度很大。想得到高質(zhì)量且表面光滑的非極性材料十分不容易,這也嚴(yán)重制約了非極性材料的廣泛應(yīng)用。因此,本文將研究的重點放在了減少非極性材料的位錯和層錯密度提高結(jié)晶質(zhì)量上來。主要的工作和結(jié)論如下:
　　1.采用濃度為

3、97％的H3PO4對非極性GaN材料腐蝕特性進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)不同溫度和腐蝕時間下非極性GaN材料的腐蝕速率不同。當(dāng)溫度過低時腐蝕很難進(jìn)行,溫度越高腐蝕越快。同時對腐蝕材料的表面形貌進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)腐蝕呈現(xiàn)各向異性,并且腐蝕具有選擇性。樣品沿著-c軸方向的腐蝕速率比較快而+c方向腐蝕很難進(jìn)行,這是由于沿著-c方向樣品存在著容易腐蝕的N面GaN。同時對酸溶液腐蝕的機(jī)理進(jìn)行了分析說明。
　　2.利用前面非極性材料腐蝕出的溝道,我們在腐蝕

4、后的樣品上進(jìn)行非極性 a面 GaN材料的再生長研究。發(fā)現(xiàn)腐蝕后再生長的GaN樣品和沒有腐蝕直接再生長的樣品相比較,材料的位錯密度有了明顯的降低,結(jié)晶質(zhì)量得到明顯的提升。因此濕法腐蝕再生長提供了一種簡便有效的改善非極性GaN材料結(jié)晶質(zhì)量的手段。
　　3.通過PECVD在GaN底板上淀積SiNx,并對淀積后的材料進(jìn)行二次生長。我們發(fā)現(xiàn)和沒有插入層的材料相比,插入了SiNx的材料的位錯和層錯密度均有非常大的降低,材料的結(jié)晶質(zhì)量有了很大的

5、提升。同時我們也通過透射電子顯微鏡研究了插入層對于位錯和層錯密度的影響。在試驗中我們也對插入層的淀積時間進(jìn)行了優(yōu)化。除此之外,我們將本次試驗和原位淀積SiNx插入層的再生長實驗進(jìn)行了對比。發(fā)現(xiàn)非原位插入層樣品的Si摻雜濃度和原位相比有了很大的降低,這對于電子器件所需的半絕緣襯底非常有利。同時和原位試驗得到的最優(yōu)化材料相比,本次試驗得到的樣品結(jié)晶質(zhì)量更好一些。這也說明了相比于原位淀積的插入層,非原位插入層更加有效率。因此,本方法也是一種簡